Kirsten Bobzin

Oberf lächentechnik für denMaschinenbau

Beachten Sie bitte auchweitere interessanteTitel zu diesem Thema

Callister, William D., Rethwisch,David G.

Materialwissenschaften undWerkstofftechnikEine Einführung

2012

ISBN: 978-3-527-33007-2

Mang, T., Bobzin, K., Bartels, T.

Industrial TribologyTribosystems, Friction, Wear andSurface Engineering, Lubrication

2011

ISBN: 978-3-527-32057-8

Oettel, H., Schumann, H. (Hrsg.)

Metallograf ieMit einer Einführung in dieKeramograf ie

2011

ISBN: 978-3-527-32257-2

Worch, H., Pompe, W., Schatt, W.(Hrsg.)

Werkstoffwissenschaft10., vollständig überarbeitete Auf lage

2011

ISBN: 978-3-527-32323-4

Maaß, P., Peißker, P. (Hrsg.)

Handbuch Feuerverzinken3. Auf lage

2012

ISBN: 978-3-527-33251-9

Christ, H.-J.

Ermüdungsverhaltenmetallischer Werkstoffe2. Auf lage

2009

ISBN: 978-3-527-31340-2

Bach, F.-W., Möhwald, K., Laarmann,A., Wenz, T. (Hrsg.)

ModerneBeschichtungsverfahren

2005

ISBN: 978-3-527-30977-1

Lange, G. (Hrsg.)

Systematische Beurteilungtechnischer Schadensfälle5. Auf lage

2001

ISBN: 978-3-527-30417-2

Kirsten Bobzin

Oberf lächentechnik für den Maschinenbau

Autor

Prof. Dr.-Ing. Kirsten BobzinRWTH Aachen UniversityInstitut für OberflächentechnikKackertstr. 1552072 Aachen

1. Auflage 2013

n Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältigerarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren,Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließ-lich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit vonAngaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie füreventuelle Druckfehler irgendeine Haftung

Bibliograf ische Informationder Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diesePublikation in der Deutschen Nationalbibliografie;detaillierte bibliografische Daten sind im Internetüber <http://dnb.d-nb.de> abrufbar.

© 2013 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA,Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany

Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung inandere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buchesdarf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages inirgendeiner Form – durch Photokopie, Mikro-verfilmung oder irgendein anderes Verfahren –

reproduziert oder in eine von Maschinen, insbeson-dere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbareSprache übertragen oder übersetzt werden. DieWiedergabe von Warenbezeichnungen, Handels-namen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buchberechtigt nicht zu der Annahme, dass diese vonjedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kannes sich auch dann um eingetragene Warenzeichenoder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen han-deln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind.

ISBN: 978-3-527-33018-8

Satz Reemers Publishing Services GmbH, KrefeldDruck und Bindung Strauss GmbH, MörlenbachUmschlaggestaltung Formgeber, Eppelheim

Printed in the Federal Republic of GermanyGedruckt auf säurefreiem Papier.

Inhaltsverzeichnis

Lateinische Formelzeichen XI

Griechische Formelzeichen XV

Konstanten XVII

Abkürzungsverzeichnis XIX

1 Einführung in die Oberf lächentechnik 11.1 Technische Oberflächen 21.1.1 Benetzung von Festkörperoberflächen durch Flüssigkeiten 71.1.2 Haftungsmechanismen zwischen Schicht und Grundwerkstoff 91.2 Funktionen von Oberflächen 121.3 Methodischer Ansatz zur Entwicklung beschichteter Produkte 151.4 Verfahren der Oberflächentechnik 17

2 Tribologie 232.1 Das tribologische System 242.1.1 Tribokontaktfläche 272.1.2 Die tribologische Beanspruchung 282.2 Reibung 322.2.1 Reibungszustände 332.2.2 Reibungsarten 362.3 Verschleiß 382.3.1 Verschleißmechanismen 392.3.1.1 Adhäsion 392.3.1.2 Tribochemische Reaktionen 412.3.1.3 Abrasion 422.3.1.4 Oberflächenzerrüttung 442.3.2 Verschleißarten 462.4 Schmierung 462.4.1 Flüssigschmierstoffe 482.4.2 Schmierfette 50

V

2.4.3 Additive 502.4.4 Festschmierstoffe 522.4.4.1 Festschmierstoffe mit Schichtgitterstruktur 542.4.4.2 Festschmierstoffe auf Basis von Oxiden, Fluoriden und Sulfaten 572.4.4.3 Festschmierstoffe auf Basis von Weichmetallen 582.4.4.4 Festschmierstoffe auf Basis von Polymeren 582.5 Tribologische Prüfung 592.5.1 Verschleißmessgrößen 592.5.2 Tribologische Prüfmethoden 60

3 Korrosion 653.1 Elektrochemische Korrosion 693.1.1 Elektrochemische Reaktionen 693.1.2 Deckschichtbildung (Passivität) 763.1.3 Erscheinungsformen der elektrochemischen Korrosion 783.1.3.1 Gleichmäßige Korrosion 793.1.3.2 Örtliche Korrosion ohne mechanische Belastung 803.1.3.3 Örtliche Korrosion mit mechanischer Belastung 883.1.4 Korrosionsschutzmaßnahmen bei elektrochemischer Korrosion 923.1.4.1 Aktiver Korrosionsschutz 933.1.4.2 Passiver Korrosionsschutz 963.2 Hochtemperaturkorrosion 973.2.1 Thermodynamische Grundlagen der Oxidation 983.2.2 Kinetische Grundlagen der Oxidation 1013.2.2.1 Diffusion 1023.2.2.2 Metalldiffusion und Sauerstoffdiffusion in Oxidschichten 1073.2.2.3 Zeitgesetze der Oxidation 1093.2.3 Besonderheiten der Aufkohlung, Aufstickung, Aufschwefelung 1133.2.4 Heißgaskorrosion 1143.2.4.1 Niedertemperatur-Heißgaskorrosion (Typ II) 1163.2.4.2 Hochtemperatur-Heißgaskorrosion (Typ I) 1173.2.4.3 Chlorinduzierte Heißgaskorrosion 1183.2.5 Korrosionsschutzmaßnahmen zur Hochtemperaturkorrosion 1203.3 Metallphysikalische Korrosion 125

4 Elektrochemische Metallabscheidung 1314.1 Thermodynamische Grundlagen der Elektrochemie 1344.2 Kinetische Grundlagen der Elektrochemie 1394.3 Galvanische Metallabscheidung 1434.4 Chemische Metallabscheidung 1474.4.1 Ionenaustauschverfahren (Tauchverfahren) 1484.4.2 Kontaktverfahren 1484.4.3 Reduktionsverfahren 1494.5 Schichtsysteme der elektrochemischen Metallabscheidung 1504.5.1 Chromschichten 151

VI Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis

4.5.2 Nickelschichten 1544.5.3 Dispersionsschichten 156

5 Konversionsverfahren 1595.1 Anodisieren 1605.2 Phosphatieren 1655.3 Chromatieren 1695.4 Vergleich des Chromatierens und Phosphatierens 1725.5 Brünieren 173

6 Thermochemische Diffusionsverfahren 1776.1 Carburieren (Einsatzhärten) 1796.2 Nitrieren 1826.3 Nitrocarburieren 1906.4 Borieren 1926.5 Chromieren 1956.6 Alitieren 1976.7 Silizieren 2016.8 Sheradisieren 202

7 Physical Vapor Deposition (PVD) 2077.1 Erzeugen der Gasphase / des Plasmas 2097.2 Teilchentransport 2147.3 Kondensation – Schichtwachstum 2157.4 PVD-Verfahren 2197.4.1 Kathodenzerstäuben (MSIP – Magnetron Sputter Ion Plating) 2217.4.2 Lichtbogenverdampfen (AIP – Arc Ion Plating) 2237.4.3 Niedervoltbogenentladung (NVB) 2247.4.4 Elektronenstrahlverdampfen (EB – Electron Beam) 2257.5 PVD-Werkzeugbeschichtung 2267.6 PVD-Bauteilbeschichtung 2287.7 PVD-Wärmedämmschichten 230

8 Chemical Vapor Deposition (CVD) 2358.1 Thermodynamik der chemischen Reaktion 2378.2 Reaktionschemie 2408.3 Kinetik der Schichtabscheidung 2438.4 CVD-Verfahren 2458.4.1 Hochtemperatur-CVD 2478.4.2 Plasma-CVD 2488.4.3 Hot-Filament-CVD-Verfahren 2508.5 CVD-Werkzeugbeschichtung 2528.6 CVD-Bauteilbeschichtung 254

Inhaltsverzeichnis VII

9 Sol-Gel-Deposition 2579.1 Das Sol als Ausgangswerkstoff 2589.2 Der Sol-Gel-Übergang 2589.2.1 Partikuläre Sole und Gele 2589.2.2 Nasschemische Sol-Gel-Bildungssysteme 2599.3 Beschichtungen mit Sol-Gel-Verfahren 2619.4 Anwendungsbeispiele für Sol-Gel-Beschichtungen 263

10 Schmelztauchverfahren 26510.1 Feuerverzinken 26710.1.1 Deckschichtbildung beim Feuerverzinken 26910.1.2 Diskontinuierliche Verfahren der Feuerverzinkung 27210.1.3 Kontinuierliche Verfahren der Feuerverzinkung 27510.1.4 Korrosionsschutz durch Feuerverzinken 28110.2 Feueraluminieren 28610.3 Feuerverzinnen 28810.4 Feuerverbleien 289

11 Thermisches Spritzen 29311.1 Verfahrensprinzip des Thermischen Spritzens 29411.2 Schichtbildung beim Thermischen Spritzen 29611.3 Schichthaftung thermisch gespritzter Schichten 29911.4 Verfahren des Thermischen Spritzens 30111.4.1 Flammspritzen 30211.4.2 Hochgeschwindigkeitsflammspritzen 30411.4.3 Kaltgasspritzen 30811.4.4 Lichtbogenspritzen 31011.4.5 Plasmaspritzen 31211.5 Schichtwerkstoffe und Anwendungsbeispiele des Thermischen Sprit-

zens 316

12 Löten 32312.1 Grundlagen des Lötens 32412.2 Einteilung der Lötverfahren und Lotwerkstoffe 32812.3 Auftraglöten von Hartstoff-Hartlot-Verbundsystemen 33212.3.1 Suspensionsverfahren zum Auftraglöten 33212.3.2 Vliesverfahren zum Auftraglöten 33412.4 Auflöten von Panzerungen 33712.4.1 Löten metallisierter Keramiken 33812.4.2 Aktivlöten von Keramikwerkstoffen 33912.4.3 Löten von Hartmetall 34012.4.4 Anwendungsbeispiele für aufgelötete Panzerungen 341

VIII Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis

13 Auftragschweißen 34513.1 Werkstoffverbunde durch Auftragschweißen 34613.2 Verfahren des Auftragschweißens 34713.3 Schichtwerkstoffe und Anwendungsbeispiele des Auftragschweißens

352

14 Plattieren 35514.1 Kaltwalzplattieren 35814.2 Warmwalzplattieren 36114.3 Sprengplattieren 363

15 Werkstoffe 36715.1 Grundlagen der Materialkunde 36815.1.1 Beeinflussung von Festigkeitseigenschaften 36915.1.2 Beeinflussung des Werkstoffverhaltens bei erhöhten Temperaturen

37315.1.2.1 Diffusion 37315.1.2.2 Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum 37415.1.2.3 Kriechen und Spannungsrelaxation 37415.1.2.4 Warmfestigkeit und thermomechanische Ermüdung 37615.2 Metallische Werkstoffe 37815.2.1 Leichtmetalle 37915.2.1.1 Aluminium und Aluminiumlegierungen 38015.2.1.2 Magnesium und Magnesiumlegierungen 38315.2.1.3 Titan und Titanlegierungen 38615.2.2 Kupfer und Kupferlegierungen 38915.2.3 Eisen und Eisenlegierungen 39115.2.3.1 Gusseisen 39215.2.3.2 Stahl 39415.2.4 Hartlegierungen 39915.2.5 Superlegierungen 40215.2.6 Refraktärmetalle 40415.2.7 Intermetallische Verbindungen 40615.3 Nichtmetallische anorganische Werkstoffe 40915.3.1 Aufbau von Hartstoffen 40915.3.2 Ingenieurkeramik 41115.3.2.1 Oxidkeramiken 41215.3.2.2 Nichtoxidkeramik 41215.3.2.3 Silikatkeramik 41315.4 Organische Werkstoffe 41315.4.1 Thermoplaste 41515.4.2 Duroplaste 41615.4.3 Elastomere 41715.5 Verbundwerkstoffe 41815.5.1 Polymer-Matrix-Composite (PMC) 420

Inhaltsverzeichnis IX

15.5.2 Ceramic-Matrix-Composite (CMC) 42015.5.3 Metal-Matrix-Composite (MMC) 42115.5.3.1 MMC für den Leichtbau 42215.5.3.2 MMC für maximale Verschleißbeständigkeit 424

Stichwortverzeichnis 431

X Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis

Lateinische Formelzeichen

aE: Schallgeschwindigkeit des Gases am Düsenaustrittai: Stoffmengenanteilaktivität der Teilchensorte iaMe

z+: Aktivität/Konzentration der potentialbestimmenden Metallionen einerLösung

A: FlächeA*: engster Querschnitt der LavaldüseA0: nominelle KontaktflächeAE: Austrittsquerschitte der LavaldüseAr: reale KontaktflächeAL: Aufmischungsgrad beim AuftragschweißenAlv: Grenzfläche flüssig/gasförmig (liquid/vapor)Asl: Grenzfläche fest/flüssig (solid/liquid)Asv: Grenzfläche fest/gasförmig (solid/vapor)Ac3: Austenitisierungstemperaturb: BreiteB: magnetische Feldstärkec: KonzentrationcL: Leerstellenkonzentrationcv: Verdampfungskoeffizient (cv = 0...1)d: DurchmesserD: DiffusionskoeffizientD0: stoffspezifische DiffusionskonstanteDG: Diffusionszone im GrundwerkstoffDL: Diffusionszone im LotE-Modul: ElastizitätsmodulE: ElektrodenpotentialDE: ElektrodenpotentialdifferenzEA: AktivierungsenergieEA

Chs: Aktivierungsenergie für den Adsorption-Chemiesorption-ÜbergangEB: BindungsenergieEH: GleichgewichtspotentialE0H : Standardpotential, Normalpotential

XI

Oberflächentechnik für den Maschinenbau, 1. Auflage: Kirsten Bobzin,© 2013 Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Published 2013 by Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

E0H,A: Standardpotential Anode

E0H,K : Standardpotential Kathode

Ei: Ionenenergief: FrequenzF: KraftFN: NormalkraftFR: Reibkraftg: thermodynamisches PotentialG-Modul: SchubmodulG: freie molare Enthalpie, thermodynamisches PotentialGL

B: LeerstellenbildungsenthalpieDGR: freie molare Reaktionsenthalpie, Gibbs’sche ReaktionsenthalpieDG0

R: freie molare Standard-Reaktionsenthalpieh: Höhe, Blechdicke, Schmierfilmdicke, Spaltabstandh0: minimale SchmierfilmdickehAds: AdsorptionsenthalpiehChs: ChemiesorptionsenthalpieH0

B: molare Standard-BildungsenthalpieHR: molare ReaktionsenthalpieH0

R: molare Standard-ReaktionsenthalpieI: elektrischer StromIA: anodischer TeilstromIE: Elementstrom einer galvanischen KetteIK: kathodischer Teilstromi: Stromdichteie: SummenstromdichteiA: anodische TeilstromdichteiK: kathodische Teilstromdichtei0: Austauschstromdichtej: Mengenstrom eines Stoffesjm: flächenbezogene MassenverdampfungsrateJ: Flächenträgheitsmomentkl: temperaturabhängige, massebezogene lineare Oxidationskonstantekp: temperaturabhängige, massebezogene, parabolische Oxidationskons-

tantekp’: temperaturabhängige, schichtdickenbezogene, parabolische Oxidations-

konstantekp0: materialspezifischer Vorfaktor der parabolischen OxidationskonstanteK: Gleichgewichtskonstantel: Länge, AbstandLP: Schalldruckpegelm: Masse_m: MassenstrommA: Masse eines Atoms

XII Lateinische Formelzeichen

me: Masse eines ElektronsmI: Masse eines Ionsmkorr: flächenbezogene Massenverlustrate bei KorrosionmM: Masse eines MolekülsMmolar: molare Masse, mit Mmolar = NA · mA (Masse pro Mol)Mr: relative Molekülmasse, mit Mr = mA/mu

_mS: Schichtauftragsleistung, aufgebrachte Schichtmasse pro ZeitmT: Masse eines TargetatomsMa: Mach-Zahl, mit Ma = v/cMaE: Mach-Zahl am Düsenaustrittn: Anzahln: Drehzahlp: Flächenpressung, Druckp0: statischer Gasdruck in der BrennkammerpE: statischer Druck der Gasströmung am Düsenaustrittph: hydrostatische DruckpHV: HochvakuumdruckpS: SättigungsdampfdruckpU: UmgebungsdruckP: LeistungPK: Kühlleistung, WärmeabfuhrQel: transportierte Ladung (Qel = I · t [A · s])Q: thermische Energie, WärmemengeDQV: Verdampfungswärmer: Radiusr: AtomabstandR: elektrischer WiderstandRA: Polarisationswiderstand AnodeRK: Polarisationswiderstand KathodeRp: StreckgrenzeReH: obere StreckgrenzeReL: untere StreckgrenzeRm: ZugfestigkeitRa: MittenrauwertRz: Gemittelte Rautiefes: Schichtdicke, Eindringtiefe_s: SchichtratesD: DiffusionsschichtdickesV: VerbindungsschichtdickeS: SpreitungskoeffizientS0: SputterrateS0: molare StandardentropieSR: molare ReaktionsentropieS0R: molare Standard-Reaktionsentropie

Lateinische Formelzeichen XIII